库博,中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案 摘要：自90年代以来，中国在城市卫生方面取得了了不起进步: 建立了广泛的污废水处理基础设施，城市污水处理率达到94.5%, 并且依法在全国范围内
发表时间：2024-09-30 | 作者：开云
焦点提醒：中国市政污水处置的瓶颈和原由和可能的处理方案 摘要：自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了了不得前进: 成立了普遍的污废水处置根本举措措施，城市污水处置率到达94.5%, 而且依法在全国规模内实行了污水养分物去除。可是，市政污水处置厂依然面对着源自在怪异污水水质特点的问题。这项研究了比力了中国和其他具有较长的污废水处置汗青的国度在城市污水处置中的能量收受接管、养分物去除和污泥产量方面的差别，揭露了中国的污水特征，即高无机悬浮固体(ISS)浓度，低COD浓度和低碳氮比(C/N)和与市政污水处置厂机能之
中国市政污水处置的瓶颈和原由和可能的处理方案
时候：2020-03-12 14:02
来历：中国水协教育委
作者：曹业始 刘智晓
摘要：自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了了不得前进: 成立了普遍的污废水处置根本举措措施，城市污水处置率到达94.5%, 而且依法在全国规模内实行了污水养分物去除。可是，市政污水处置厂依然面对着源自在怪异污水水质特点的问题。这项研究了比力了中国和其他具有较长的污废水处置汗青的国度在城市污水处置中的能量收受接管、养分物去除和污泥产量方面的差别，揭露了中国的污水特征，即高无机悬浮固体(ISS)浓度，低COD浓度和低碳氮比(C/N)和与市政污水处置厂机能之间的因果关系，并提出市政污水处置厂设想和操作应当连系本地的水质特点,给出了具有本钱效益的改良市政污水处置可延续性的办法和方案，并评估了这些办法实行可能带来的收益，强调了增强以成果导向的市政污水处置利用研究的需要性。
导言
自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了显著前进。2017年市政污水处置能力到达49.2 x109m³，在城市地域的笼盖处置率达94.5%。去除养分物(氮和磷)已在国度规模内依法实行。但是，很多市政污水处置厂面对很少能量收受接管，脱氮除磷本钱昂扬，污泥产量高档问题。污水管网渗漏形成中国污/废水的怪异特点是市政污水处置厂效力低下的首要缘由。比来，中国三部委公布了题为“城镇污水处置提质增效三年步履方案(2019—2021年)”文件强调污水管网修复在城市情况卫生与生态要害功能，标记着中国城市情况卫生计谋的转机点。斟酌到污水管网修复所触及的沉重使命，所需的庞大投资和长周期，必需采纳具有本钱效益的快速步履和办法，以改良中国市政污水处置效力和可延续性。这项研究有三个方针：(1) 比力中国和其他具有更长的污/废水处置汗青的国度在市政污水处置厂在能量收受接管、养分物去除和污泥发生量等方面的差别;(2)揭露市政污水处置厂的污水特点和工艺机能之间的因果关系;(3)建议适在中国污水水质特征的具有本钱效益的办法息争决方案，以提高市政污水处置厂的可延续性。
方式
中国、欧洲、美国和新加坡的污水处置厂均基在利用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)(以下简称AD-CHP)进行能源收受接管基在利用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)。中国相当部门厂省略低级污泥沉降(PS), 很少有处置厂利用污泥厌氧消化(AD)，污泥的发生首要基在不雅察生物产量(系数)和进水无机悬浮固体(ISS)堆集。
成果和会商
市政废水处置 – 可延续性
表1 显示，不到5%的中国城市污水处置厂利用污泥厌氧消化，这个比例与欧洲、美国和新加坡比拟很是低, 虽然具有较长污水处置汗青的国度在好久之前已普遍利用AD-CHP手艺，但在中国，经由过程AD-CHP污泥厌氧消化和热电联产手艺(下称AD-CHP)路子手艺进行的能量收受接管很是无限。舍弃利用污泥厌氧消化不但致使污泥不变化问题，招致二次污染和卫生问题，同时，因为没有污泥厌氧消化中VSS粉碎,加上调度板框脱水添加石灰还增添了污泥量(因为没有污泥厌氧消化中VSS粉碎,加上调度板框脱水添加石灰)增添了污泥处置,增添了措置和再操纵的坚苦难度。
为了到达严酷的养分物排放尺度[如中国市政污水处置厂一级A排放尺度，TN(总氮)<15 mg-N/L，TP(总磷)< 0.5 mg-P/L，和在一些省分敏感地域实行的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 虽然舍弃没有设置低级污泥沉降,但中国很多污水处置厂仍需要额外采取了外投加碳源除氮(和磷)。从底子上讲，这是因为其底子缘由归结为进水的低C/N比，由于对典型的污水，常规的生物脱氮工艺能够在不添加或添加少许碳环境下实现出水TN <10-15 mg-N/L。当今在一些污水厂中，化学药品破费仅次在电力。假如实施更严酷的养分物排放尺度(例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L),将给工污水厂运营和处所带来进一步的经济承担，另外，斟酌低级能源的利用和响应的温室气体排放, 过量化学物资添加对情况也是不成延续的。
污水厂活性污泥由微生物，难降解的颗粒和无机悬浮固体(ISS)构成, 其产量和构成取决在废水的水质特征，处置工艺和场地情况。表2列出了以中国市政污水处置在2015年，2016和2017年基在COD去除量计较的年平均污泥产量(干固体(DS))。三年平均量为0.69 kg/去除kgCOD。鉴在采取低级污泥沉降的污水厂只要10%–20%和少在5%污水厂采取污泥厌氧消化, 每去除kg化学需氧量发生的污泥量能够视为活性污泥进程界说的表不雅产率(系数)Yob 。应用中国2017年市政污水的平均成份，假定进水VSS/TSS比80%, 采取的生物除氮和除磷工艺与辅助化学除磷(摩尔铁/磷去除比率为1.5, 去除80%的P)，废水的易在生物降解的COD (RBCOD)分数为8%，BOD/P为18%，污泥逗留时候(SRT)为18天，按照 Paul 等(2001)建议计较方式算得污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数目比保守生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。缘由是化学除磷所添加的金属药剂致使化学污泥量的增添。上文提到的中国市政污水厂近三年平均量污泥产率0.69 kg/去除kg COD(见表2)，比一般进水VSS/TSS比率(80%)前提下理论估算值0.48 kg/去除kg COD年夜约超出跨越44%。
对中国部门污水处置厂的查询拜访注解, 当进水水质特征年夜致一般时，污水处置厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg COD，而当污水水质特征非常，污泥产率接近0.69或乃至更高。阐发认为高的污泥产率系数在很年夜水平上源自进水中高浓度无机悬浮颗粒。在法国，39%的污水处置厂具有污泥厌氧消化 (表1)，其平均污泥产率为0.44 kg/去除kg COD. 新加坡的污泥产率仅0.24 kg/kg COD，为中�ⲩAPP国三分之一，新加坡所有市政污水处置厂采取污泥厌氧消化进行能量收受接管由此削减约35%的固体。经由过程与法国和新加坡污水污泥产率比拟，能够看出中国今朝的市政污水厂污泥产量系数确切太高。
a COD去除，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水处置厂的平均值(CUWA 2016)。
b 去除COD，kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量，(CUWA 2017)。
c 去除所有COTP，kg x 10 9 ，所有污水处置厂量(CUWA 2018)。
d 污泥发生(DS)，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水处置厂的平均值(CUWA 2016)。
e 发生的污泥(DS)，kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量(CUWA 2017)。
f 污泥发生量(DS)kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量(CUWA 2018)。
低机能缘由：怪异的污水水质特征
污水水质特征对活性污泥和全部厂工艺的设想相当主要。较早的一项对中国和中国三个城市污水管网系统进行的渗漏比估算研究成果显示污水管网系统渗漏致使的中国市政污水水质具有三个根基特点，即高的无机悬浮固体浓度(ISS)，低COD和C/N比。
虽然需有更大都据描写全国环境, 但初步伐查显示，在中国, 即使在施工质量和治理保护杰出的污水管网系统，某些地域的污水处置厂的进水VSS/TSS比在50% - 70%规模,低在60%-80%的一般规模。文献陈述进水低 COD/SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)较低反应污水含高ISS(砂质,粉土和黏土等), 注解国内污水厂进水“无机化”特征显著。如式(1)所示, 在假定没有初沉和终究出水中无ISS前提下, 进水的ISS/TSS率间接影响到夹杂液非挥发性固体(MLISS)浓度。
MLISS = ISSIO x(τ/Θc) (1)
此中，ISSIO：进水ISS; Θc：污泥逗留时候SRT;τ：水力逗留时候。
对没有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工艺，进水VSS为180 mg/L，ISS为79 mg/L [VSS比率为70%[180/(79+180)]，当进水VSS比率削减10%(ISS增添至120 mg/L)利用公式(1), 夹杂液ISS增添年夜约1,000 mg-ISS/L，注解了进水ISS对夹杂液MLVSS/MLSS分数的敏感性。
摹拟显示，当进水的ISS/TSS增添(VSS/TSS比率削减)10%, MLVSS/MLSS分数可削减约10% (见图 1)。在中国年夜大都污水处置厂活性污泥(和污泥厌氧消化进料)中，MLVSS/MLSS比在30至60%规模。较低的MLVSS/MLSS比凡是来自进水高ISS浓度，保持渗漏相对严峻污水管网系统的污水处置厂，而相对较高MLVSS/MLSS比凡是来自保持保护治理较好管网系统或产生渗出性渗漏污水管网系统的中国北方污水处置厂，它的进水ISS较低。比来陈述显示中国污水厂活性污泥夹杂液平均挥发性固体分数低在50%，远低在一般的70%-75%的规模 , 注解进水含高浓度的无机固体(ISS)在活性污泥系统中的堆集影响显著, 即便斟酌到化学除磷构成的化学污泥和矿物的堆集(挥发性固体成份60%)。
低夹杂液MLVSS/MLSS比对市政污水处置厂工艺机能和运转有多方面的晦气影响。以活性污泥固体含量70%作为比力基准，为了在反映器中保存不异数目的生物量, 较低的MLVSS/MLSS-50%则意味着需要活性污泥池的容积增添约30%。别的，夹杂液中无机颗粒增添致使单元体积活性微生物含量的削减. 其影响近似在在设想中疏忽了高进水ISS, 两者城市影响生化进程机能,好比低水温硝化污泥龄不足致使冬季出水高氨氮。
近似在活性污泥, 污泥厌氧消化池进猜中的低挥发性固体含量，下降了单元有用体积(或每单元污泥)的沼气产率, 削减沼气产量。而为了到达预定VSS的削减率和产气率,需要增添额外容积或耽误SRT。沼气产量下降与砂子等固体在污泥厌氧消化池堆积，和砂子引发材料磨损和管道梗塞在很年夜水平上限制污泥厌氧消化在中国的利用。废水中较高的ISS含量被认为是是中国利用污泥厌氧消化的首要手艺妨碍。
进水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的堆集致使增添污泥发生量。摹拟注解，在有或没有初沉前提下, 在进水VSS/TSS 35%-75%的规模内, 当进水VSS/TSS比每下降10%(残剩)污泥产量(DS)下降20%-30% (见图 1)。与污泥增添相关, 高ISS致使残剩污泥较着增添需要二沉池额外的概况积(容量)和固体处置举措措施(好比脱水和泵)容量，和处置固体的能量, 将年夜年夜的增添了市政污水处置厂处置固体所需的投资。综上所述，当下污水中高ISS对中国市政污水处置厂的绩效和运营建成多种晦气影响, 极年夜地影响其可延续性。
2016年中国市政污水处置厂的进水COD浓度平均值仅为267 mg-COD / L，约为表3所各国家污水厂的进水浓度的一半。这归因在下水道在线生物降解和高渗漏比率。很多污水处置厂进水悬浮固体(SS)浓度在100 mg/L规模，比污水典型值低约150 mg/L, 颗粒鄙人水道中沉降和堆集多是缘由之一。
进水低COD致使活性污泥池低生物量(MLVSS)浓度。进水ISS越高，夹杂液中的相对去除单元COD的非挥发性固体分数和污泥产量越高。这使得高效除砂在处置COD较低进水时特别相当主要。这里需要留意的是, 较低的进水COD浓度其实不意味着必需拔除污泥厌氧消化(拜见下文), 虽然与进水COD较高比拟，能量收受接管的量可能会遭到影响。中国城市污水处置厂的进水C/N比在5.4到10.9之间，北京,上海和广州污水处置厂的进水碳氮比介在7.5(广州)到8.8(北京)之间，平均8.0, 低在其他处所的典型规模8到12 。低C/N比率致使碳欠缺, 特别是面临高效生物脱氮时。另外, 鉴在潜伏的高浓度惰性颗粒化学需氧量，与具有近似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒COD)的活性污泥比拟，反硝化效力和生物除磷效力可能进一步削减 。
在中国很多污水处置厂,因为进水COD较低，为增添碳供给，提高生物脱氮(反硝化)效力, 而省略了初沉池。斟酌初沉池去除30%–40%进水COD，在省略初沉池环境下，则生物池的池容将增添约40%，同时二沉池概况积也须显著增添,致使举措措施体积和水力逗留时候增添，增添了扶植本钱。而因为引入了更多可生物降解的颗粒COD, 颗粒的水解速度成为反硝化效力的提高决议身分,因为水解和温度的关系，夏日反硝化效力的提高是可能的, 可是冬季则未必。所以,省略初沉池的目标其实不必然是能够实现的。需要周全具体阐发污水特点，丈量在分歧温度规模下硝酸盐还原速度等，和具矫捷性操作策略的的设想。
另外一方面，为了知足日益严酷的养分物排放尺度(例如，TN <10 mg-N/L)，外加碳源被愈来愈遍及地实践。以当前市场价钱粗略估量, 一个100,000 m³/d的污水处置厂为采办相当在20 mg-HAc/L醋酸(HAc), 每一年破费年夜约300万元人平易近币(约45万美元)。采办碳和化学物资正成为工场运营繁重承担。
潜伏的处理方案
分析污水水质特点斟酌市政污水处置厂的设想和运转
面临中国怪异的污水水质特点，污水处置厂设想和运营须分析斟酌本地污水水质特点，排放要求，地舆位置，处置能力和能源供给，化学药品和污泥措置本钱。污水水质特征在污水处置厂的工艺选择和设想中起着相当主要的感化。保守生物工艺可能不合用在中国南边部门地域的低COD浓度进水(例如，COD <100 mg-COD/L)处置, 而基在膜分手的手艺或SANI(硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)多是合用的手艺。省略初沉池、操纵可生物降解的颗粒COD提高反硝化效力在暖和天气前提下可能可行，但在严寒的地域则未必可行。
能源收受接管应在市政污水处置厂议程获得足够的存眷。早在活着纪之交的美国，基在其经济上的可行性, 很多处置范围年夜约或跨越100,000 m³/d的污水处置厂利用污泥厌氧消化。比来几年数据显示，乃至处置量为20,000–40,000 m³/d的工场利用污泥厌氧消化在经济上依然有益。欧洲数据则显示处置量年夜约或跨越10,000 m³/d (50,000 PE)厂利用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的前提与美国和欧洲有所分歧,研究在本地前提和身分环境下市政污水处置厂利用污泥厌氧消化经济可行性和需要性的火急性是不言而喻的,包罗能量收受接管与养分物去除二者之间的均衡和本钱-效益阐发。
建议办法
鉴在污水管网修复耗时久长和当前普遍具有市政污水处置厂的状况，需要找出具有本钱效益的办法息争决方案并加以实行，和制订整合了各个方面身分的污水处置厂设想与运转指南, 以提高污水处置厂的运转绩效。下面将谈和除砂池的改良,污泥发酵,污泥厌氧消化和热电收受接管的利用。斟酌到浩繁效益和无限本钱，所有污水处置厂, 不管范围多年夜，提高砂粒去除效力都是值得去做的，而污泥发酵，污泥厌氧消化和热电联产的利用可能合适处置能力相对较年夜、且具有较高的进水COD浓度的污水处置厂。
加强除砂池除砂效力。从上面会商能够较着看出，夹杂液低挥发性固体分数和高污泥产量归因在：
i. 良多环境下除砂装配的设想具有手艺缺点，如逗留时候不足(低估)和运营中缺少需要保护。
ii. 在中国的很多处所，污水中的ISS浓度很高，且含相当部门直径远小在200微米的微细无机固体(这部门微细无机固体难以被常规除砂单位去除)。
建议性办法包罗:
研究现有除砂单位的机能，包罗ISS固体负荷和去除效力，并按期加以保护。别的，进级或革新现有的常规除砂装备，例如增添水力逗留时候以提高效力。一些例子注解, 经简单进级后, 一些常规的除砂装配机能晋升后可能将生物池夹杂液挥发性固体MLVSS/MLSS提高到55%至60%。总之，现场查询拜访当真评估除砂举措措施对小在200微米颗粒物的去除效力很是需要的。斟酌中国污水中普遍具有的高浓度的藐小无机固体(ISS)，和ISS对很多污水处置厂运转机能发生的的负面影响，国内亟需展开对进水除砂特别是ISS高效去除手艺方面的研究或装备开辟。
基在上述阐发，对改良中国污水处置厂除砂工艺运转机能供给以下的建议：
i. 对城市污水处置厂污水中和夹杂液中的挥发性固体成分进行普遍查询拜访;丈量和估算分歧类型除砂工艺的除砂机能，特别是粒径低在200微米砂砾去除效力;
ii. 经由过程提高除砂装配的效力来削减进程中的ISS堆集：经由过程提高除砂效力可以使夹杂液中的挥发性固体成份增添约10%，无望将小型污水处置厂的夹杂液中的挥发性固体成份提高到55%-60%，中年夜型污水处置厂(≥50,000 m³/d)提高到60 %- 65%，
污泥发酵。最年夜限度地操纵污水所含有的COD应当是处理生物脱氮除磷工艺中的碳欠缺的重要路子。在充实操纵易生物降解的可溶性COD方面, 能够参考苏黎世污水处置厂。在充实操纵可生物降解的固体COD方面,初沉污泥发酵是一种被普遍利用的手艺。图2显示了中国某地出产范围污水厂初沉污泥发酵数据,从进料到出料，平均增添40 mg-VFA/L挥发性脂肪酸(VFA)。同时，操纵回流活性污泥(和在线夹杂液)发酵手艺改良脱氮除磷结果已在丹麦、瑞典和美国和欧洲等国度获得普遍利用。中国已有初沉污泥和活性污泥发酵的项目实例, 但缺少持久成功运营陈述, 是以, 影响了污泥发酵手艺的普遍利用，这多是因为国内对这些污泥发酵项目后期长周期跟踪性研究不敷而至。
低碳要求的养分物去除工艺。能够斟酌采取像BCFS(生物化学除磷和除氮)，SANI (分析硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)和MABR(膜曝气生物反映器)等可在低碳环境下去除养分物的工艺。BCFS和MABR已被行业范围化利用，SANI处在中试范围,依然有待项目标准的利用验证。另外，西安四污呈现的支流厌氧氨氧化现象也值得进一步存眷和研究。
将来
增添能量收受接管。对那些具有恰当处置能力和较高的进水COD的浓度(例如 > 300 mg / L)的污水处置厂，污泥夹杂液挥发性固体组份(MLVSS/MLSS比)是利用污泥厌氧消化的要害。按照计较，假如将夹杂液MLVSS/MLSS由55%提高到65%，挥发份只是提高10%，便可以增添20%沼气产率。污泥挥发份的晋升也有用提高了生物池的污泥活性，提高了池容操纵效力，同时，显著削减了金属材料磨损和管道梗塞，年夜年夜消弭了手艺上利用污泥厌氧消化的妨碍。经由过程热电联产从污泥厌氧消化收受接管的电可节流运营污水处置厂电力的年夜约30%。上海白龙港污水处置厂(产能2,000,000 m³ / d )，进水COD浓度为250 mg/L，苏黎世污水处置厂初沉池出水COD浓度约为250 mg / L，两个厂都利用污泥厌氧消化用在能量收受接管。对中国处置能力跨越100,000 m³ /d的污水厂，即使只要一半的利用了污泥厌氧消化进行能量收受接管，其对污水处置厂运转效益和情况可延续也有很年夜的提高。对范围较小的污水处置厂，能够斟酌脱水污泥归并送到年夜型污泥工场或区域污泥处置中间进行能量收受接管。
削减碳收入。方针是经由过程污泥发酵取得净25 mg-COD/ L。这相当在终究出水硝酸氮浓度下降了约5 mg-N/L，有助在实此刻几近没有或添加少许碳环境下实现出水总氮浓度少在10 mg-N / L。
削减污泥量。经由过程促进进水砂粒去除, 提高10%进水VSS / TSS分数，可将污泥产量削减约20%。
连系污泥厌氧消化去除年夜约40%VSS(Grady等，1999)污泥量削减可达约50%。
这意味着假如在约一半的污水处置厂实现了ISS削减并利用污泥厌氧消化，则全国规模内污泥发生量可能削减约25%。连同能量收受接管增添的和采办化学品本钱削减，落实削减ISS并利用污泥厌氧消化将在很年夜水平改良污水处置厂的可延续性。
增强成果导向的利用研究。要鼎力增强针对降服或处理中国污水水质特征构成的手艺瓶颈进而实现高效污水处置方针的可延续性研究与手艺开辟，从最先就需要制订具体的可行性研究打算，针对污水特征，特别是进水ISS，和硝酸盐还原速度等研究与现实测试，将有助在从手艺肯定是不是需要初沉池。经由过程生化挥发物脂肪酸潜力(BVFAP)等目标测试可用在评估初沉污泥和活性污泥发酵的可行性。今朝看来，此刻针对现实水质特点前提下的污水厂设想，针对处理怪异中国污水水质相干的市政污水处置实际问题的研究依然相对亏弱。比来几年中国在水科学研究方面获得了超卓的前进，此刻也恰是时辰，可进一步增强在可延续市政污/废水处置利用范畴的研究。
竣事语
自90年月以来，中国在城市卫生项目方面获得了光鲜明显前进。可是，市政污水处置依然面对着低效力的能量收受接管，养分物去除高本钱和高污泥量问题. 这些困难源在怪异的污水水质特征: 高ISS，低COD和C / N比。这项研究揭露了污水水质特征和市政污水处置厂的低效力之间的因果关系。进一步提出建议，要按照本地的现实水质特征，进行污水处置厂的设想和运转。鉴在管网完美需要必然周期, 污水处置厂的可延续性改良能够与管网提质增效、管网修复等工作并行。供给具有本钱效益的办法息争决方案的建议，即高效除砂、污泥发酵和利用低碳生物脱氮除磷工艺，并估算了实行可能带来的收益。强调了将来增强以成果导向的市政污水处置利用研究的需要性。
称谢
杨向平(中国城镇供水与排水协会)，张悦(中国水工业协会)，郑兴灿(中国市政项目华北设设想研究总院无限公司)，甘一苹(中国城镇供水和排水协会)，王洪臣(中国人平易近年夜学),王佳伟(北京排水团体)，胡维杰(上海市政项目设想研究总院(团体)无限公司)，吴远远 (北京初创)，杨岸明(北京排水团体)，李金河(天津创业环保)，丁永伟(姑苏水务团体公司)，李 激(江南年夜学), 王 燕(江南年夜学)和吕 贞(常州市排水治理处)等供给了有效的消息和不雅点.
焦点提醒：中国市政污水处置的瓶颈和原由和可能的处理方案 摘要：自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了了不得前进: 成立了普遍的污废水处置根本举措措施，城市污水处置率到达94.5%, 而且依法在全国规模内实行了污水养分物去除。可是，市政污水处置厂依然面对着源自在怪异污水水质特点的问题。这项研究了比力了中国和其他具有较长的污废水处置汗青的国度在城市污水处置中的能量收受接管、养分物去除和污泥产量方面的差别，揭露了中国的污水特征，即高无机悬浮固体(ISS)浓度，低COD浓度和低碳氮比(C/N)和与市政污水处置厂机能之
中国市政污水处置的瓶颈和原由和可能的处理方案
时候：2020-03-12 14:02
来历：中国水协教育委
作者：曹业始 刘智晓
摘要：自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了了不得前进: 成立了普遍的污废水处置根本举措措施，城市污水处置率到达94.5%, 而且依法在全国规模内实行了污水养分物去除。可是，市政污水处置厂依然面对着源自在怪异污水水质特点的问题。这项研究了比力了中国和其他具有较长的污废水处置汗青的国度在城市污水处置中的能量收受接管、养分物去除和污泥产量方面的差别，揭露了中国的污水特征，即高无机悬浮固体(ISS)浓度，低COD浓度和低碳氮比(C/N)和与市政污水处置厂机能之间的因果关系，并提出市政污水处置厂设想和操作应当连系本地的水质特点,给出了具有本钱效益的改良市政污水处置可延续性的办法和方案，并评估了这些办法实行可能带来的收益，强调了增强以成果导向的市政污水处置利用研究的需要性。
导言
自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了显著前进。2017年市政污水处置能力到达49.2 x109m³，在城市地域的笼盖处置率达94.5%。去除养分物(氮和磷)已在国度规模内依法实行。但是，很多市政污水处置厂面对很少能量收受接管，脱氮除磷本钱昂扬，污泥产量高档问题。污水管网渗漏形成中国污/废水的怪异特点是市政污水处置厂效力低下的首要缘由。比来，中国三部委公布了题为“城镇污水处置提质增效三年步履方案(2019—2021年)”文件强调污水管网修复在城市情况卫生与生态要害功能，标记着中国城市情况卫生计谋的转机点。斟酌到污水管网修复所触及的沉重使命，所需的庞大投资和长周期，必需采纳具有本钱效益的快速步履和办法，以改良中国市政污水处置效力和可延续性。这项研究有三个方针：(1) 比力中国和其他具有更长的污/废水处置汗青的国度在市政污水处置厂在能量收受接管、养分物去除和污泥发生量等方面的差别;(2)揭露市政污水处置厂的污水特点和工艺机能之间的因果关系;(3)建议适在中国污水水质特征的具有本钱效益的办法息争决方案，以提高市政污水处置厂的可延续性。
方式
中国、欧洲、美国和新加坡的污水处置厂均基在利用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)(以下简称AD-CHP)进行能源收受接管基在利用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)。中国相当部门厂省略低级污泥沉降(PS), 很少有处置厂利用污泥厌氧消化(AD)，污泥的发生首要基在不雅察生物产量(系数)和进水无机悬浮固体(ISS)堆集。
成果和会商
市政废水处置 – 可延续性
表1 显示，不到5%的中国城市污水处置厂利用污泥厌氧消化，这个比例与欧洲、美国和新加坡比拟很是低, 虽然具有较长污水处置汗青的国度在好久之前已普遍利用AD-CHP手艺，但在中国，经由过程AD-CHP污泥厌氧消化和热电联产手艺(下称AD-CHP)路子手艺进行的能量收受接管很是无限。舍弃利用污泥厌氧消化不但致使污泥不变化问题，招致二次污染和卫生问题，同时，因为没有污泥厌氧消化中VSS粉碎,加上调度板框脱水添加石灰还增添了污泥量(因为没有污泥厌氧消化中VSS粉碎,加上调度板框脱水添加石灰)增添了污泥处置,增添了措置和再操纵的坚苦难度。
为了到达严酷的养分物排放尺度[如中国市政污水处置厂一级A排放尺度，TN(总氮)<15 mg-N/L，TP(总磷)< 0.5 mg-P/L，和在一些省分敏感地域实行的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 虽然舍弃没有设置低级污泥沉降,但中国很多污水处置厂仍需要额外采取了外投加碳源除氮(和磷)。从底子上讲，这是因为其底子缘由归结为进水的低C/N比，由于对典型的污水，常规的生物脱氮工艺能够在不添加或添加少许碳环境下实现出水TN <10-15 mg-N/L。当今在一些污水厂中，化学药品破费仅次在电力。假如实施更严酷的养分物排放尺度(例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L),将给工污水厂运营和处所带来进一步的经济承担，另外，斟酌低级能源的利用和响应的温室气体排放, 过量化学物资添加对情况也是不成延续的。
污水厂活性污泥由微生物，难降解的颗粒和无机悬浮固体(ISS)构成, 其产量和构成取决在废水的水质特征，处置工艺和场地情况。表2列出了以中国市政污水处置在2015年，2016和2017年基在COD去除量计较的年平均污泥产量(干固体(DS))。三年平均量为0.69 kg/去除kgCOD。鉴在采取低级污泥沉降的污水厂只要10%–20%和少在5%污水厂采取污泥厌氧消化, 每去除kg化学需氧量发生的污泥量能够视为活性污泥进程界说的表不雅产率(系数)Yob 。应用中国2017年市政污水的平均成份，假定进水VSS/TSS比80%, 采取的生物除氮和除磷工艺与辅助化学除磷(摩尔铁/磷去除比率为1.5, 去除80%的P)，废水的易在生物降解的COD (RBCOD)分数为8%，BOD/P为18%，污泥逗留时候(SRT)为18天，按照 Paul 等(2001)建议计较方式算得污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数目比保守生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。缘由是化学除磷所添加的金属药剂致使化学污泥量的增添。上文提到的中国市政污水厂近三年平均量污泥产率0.69 kg/去除kg COD(见表2)，比一般进水VSS/TSS比率(80%)前提下理论估算值0.48 kg/去除kg COD年夜约超出跨越44%。
对中国部门污水处置厂的查询拜访注解, 当进水水质特征年夜致一般时，污水处置厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg COD，而当污水水质特征非常，污泥产率接近0.69或乃至更高。阐发认为高的污泥产率系数在很年夜水平上源自进水中高浓度无机悬浮颗粒。在法国，39%的污水处置厂具有污泥厌氧消化 (表1)，其平均污泥产率为0.44 kg/去除kg COD. 新加坡的污泥产率仅0.24 kg/kg COD，为中�ⲩAPP国三分之一，新加坡所有市政污水处置厂采取污泥厌氧消化进行能量收受接管由此削减约35%的固体。经由过程与法国和新加坡污水污泥产率比拟，能够看出中国今朝的市政污水厂污泥产量系数确切太高。
a COD去除，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水处置厂的平均值(CUWA 2016)。
b 去除COD，kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量，(CUWA 2017)。
c 去除所有COTP，kg x 10 9 ，所有污水处置厂量(CUWA 2018)。
d 污泥发生(DS)，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水处置厂的平均值(CUWA 2016)。
e 发生的污泥(DS)，kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量(CUWA 2017)。
f 污泥发生量(DS)kg x 10 9 ，所有市政污水处置厂量(CUWA 2018)。
低机能缘由：怪异的污水水质特征
污水水质特征对活性污泥和全部厂工艺的设想相当主要。较早的一项对中国和中国三个城市污水管网系统进行的渗漏比估算研究成果显示污水管网系统渗漏致使的中国市政污水水质具有三个根基特点，即高的无机悬浮固体浓度(ISS)，低COD和C/N比。
虽然需有更大都据描写全国环境, 但初步伐查显示，在中国, 即使在施工质量和治理保护杰出的污水管网系统，某些地域的污水处置厂的进水VSS/TSS比在50% - 70%规模,低在60%-80%的一般规模。文献陈述进水低 COD/SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)较低反应污水含高ISS(砂质,粉土和黏土等), 注解国内污水厂进水“无机化”特征显著。如式(1)所示, 在假定没有初沉和终究出水中无ISS前提下, 进水的ISS/TSS率间接影响到夹杂液非挥发性固体(MLISS)浓度。
MLISS = ISSIO x(τ/Θc) (1)
此中，ISSIO：进水ISS; Θc：污泥逗留时候SRT;τ：水力逗留时候。
对没有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工艺，进水VSS为180 mg/L，ISS为79 mg/L [VSS比率为70%[180/(79+180)]，当进水VSS比率削减10%(ISS增添至120 mg/L)利用公式(1), 夹杂液ISS增添年夜约1,000 mg-ISS/L，注解了进水ISS对夹杂液MLVSS/MLSS分数的敏感性。
摹拟显示，当进水的ISS/TSS增添(VSS/TSS比率削减)10%, MLVSS/MLSS分数可削减约10% (见图 1)。在中国年夜大都污水处置厂活性污泥(和污泥厌氧消化进料)中，MLVSS/MLSS比在30至60%规模。较低的MLVSS/MLSS比凡是来自进水高ISS浓度，保持渗漏相对严峻污水管网系统的污水处置厂，而相对较高MLVSS/MLSS比凡是来自保持保护治理较好管网系统或产生渗出性渗漏污水管网系统的中国北方污水处置厂，它的进水ISS较低。比来陈述显示中国污水厂活性污泥夹杂液平均挥发性固体分数低在50%，远低在一般的70%-75%的规模 , 注解进水含高浓度的无机固体(ISS)在活性污泥系统中的堆集影响显著, 即便斟酌到化学除磷构成的化学污泥和矿物的堆集(挥发性固体成份60%)。
低夹杂液MLVSS/MLSS比对市政污水处置厂工艺机能和运转有多方面的晦气影响。以活性污泥固体含量70%作为比力基准，为了在反映器中保存不异数目的生物量, 较低的MLVSS/MLSS-50%则意味着需要活性污泥池的容积增添约30%。别的，夹杂液中无机颗粒增添致使单元体积活性微生物含量的削减. 其影响近似在在设想中疏忽了高进水ISS, 两者城市影响生化进程机能,好比低水温硝化污泥龄不足致使冬季出水高氨氮。
近似在活性污泥, 污泥厌氧消化池进猜中的低挥发性固体含量，下降了单元有用体积(或每单元污泥)的沼气产率, 削减沼气产量。而为了到达预定VSS的削减率和产气率,需要增添额外容积或耽误SRT。沼气产量下降与砂子等固体在污泥厌氧消化池堆积，和砂子引发材料磨损和管道梗塞在很年夜水平上限制污泥厌氧消化在中国的利用。废水中较高的ISS含量被认为是是中国利用污泥厌氧消化的首要手艺妨碍。
进水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的堆集致使增添污泥发生量。摹拟注解，在有或没有初沉前提下, 在进水VSS/TSS 35%-75%的规模内, 当进水VSS/TSS比每下降10%(残剩)污泥产量(DS)下降20%-30% (见图 1)。与污泥增添相关, 高ISS致使残剩污泥较着增添需要二沉池额外的概况积(容量)和固体处置举措措施(好比脱水和泵)容量，和处置固体的能量, 将年夜年夜的增添了市政污水处置厂处置固体所需的投资。综上所述，当下污水中高ISS对中国市政污水处置厂的绩效和运营建成多种晦气影响, 极年夜地影响其可延续性。
2016年中国市政污水处置厂的进水COD浓度平均值仅为267 mg-COD / L，约为表3所各国家污水厂的进水浓度的一半。这归因在下水道在线生物降解和高渗漏比率。很多污水处置厂进水悬浮固体(SS)浓度在100 mg/L规模，比污水典型值低约150 mg/L, 颗粒鄙人水道中沉降和堆集多是缘由之一。
进水低COD致使活性污泥池低生物量(MLVSS)浓度。进水ISS越高，夹杂液中的相对去除单元COD的非挥发性固体分数和污泥产量越高。这使得高效除砂在处置COD较低进水时特别相当主要。这里需要留意的是, 较低的进水COD浓度其实不意味着必需拔除污泥厌氧消化(拜见下文), 虽然与进水COD较高比拟，能量收受接管的量可能会遭到影响。中国城市污水处置厂的进水C/N比在5.4到10.9之间，北京,上海和广州污水处置厂的进水碳氮比介在7.5(广州)到8.8(北京)之间，平均8.0, 低在其他处所的典型规模8到12 。低C/N比率致使碳欠缺, 特别是面临高效生物脱氮时。另外, 鉴在潜伏的高浓度惰性颗粒化学需氧量，与具有近似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒COD)的活性污泥比拟，反硝化效力和生物除磷效力可能进一步削减 。
在中国很多污水处置厂,因为进水COD较低，为增添碳供给，提高生物脱氮(反硝化)效力, 而省略了初沉池。斟酌初沉池去除30%–40%进水COD，在省略初沉池环境下，则生物池的池容将增添约40%，同时二沉池概况积也须显著增添,致使举措措施体积和水力逗留时候增添，增添了扶植本钱。而因为引入了更多可生物降解的颗粒COD, 颗粒的水解速度成为反硝化效力的提高决议身分,因为水解和温度的关系，夏日反硝化效力的提高是可能的, 可是冬季则未必。所以,省略初沉池的目标其实不必然是能够实现的。需要周全具体阐发污水特点，丈量在分歧温度规模下硝酸盐还原速度等，和具矫捷性操作策略的的设想。
另外一方面，为了知足日益严酷的养分物排放尺度(例如，TN <10 mg-N/L)，外加碳源被愈来愈遍及地实践。以当前市场价钱粗略估量, 一个100,000 m³/d的污水处置厂为采办相当在20 mg-HAc/L醋酸(HAc), 每一年破费年夜约300万元人平易近币(约45万美元)。采办碳和化学物资正成为工场运营繁重承担。
潜伏的处理方案
分析污水水质特点斟酌市政污水处置厂的设想和运转
面临中国怪异的污水水质特点，污水处置厂设想和运营须分析斟酌本地污水水质特点，排放要求，地舆位置，处置能力和能源供给，化学药品和污泥措置本钱。污水水质特征在污水处置厂的工艺选择和设想中起着相当主要的感化。保守生物工艺可能不合用在中国南边部门地域的低COD浓度进水(例如，COD <100 mg-COD/L)处置, 而基在膜分手的手艺或SANI(硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)多是合用的手艺。省略初沉池、操纵可生物降解的颗粒COD提高反硝化效力在暖和天气前提下可能可行，但在严寒的地域则未必可行。
能源收受接管应在市政污水处置厂议程获得足够的存眷。早在活着纪之交的美国，基在其经济上的可行性, 很多处置范围年夜约或跨越100,000 m³/d的污水处置厂利用污泥厌氧消化。比来几年数据显示，乃至处置量为20,000–40,000 m³/d的工场利用污泥厌氧消化在经济上依然有益。欧洲数据则显示处置量年夜约或跨越10,000 m³/d (50,000 PE)厂利用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的前提与美国和欧洲有所分歧,研究在本地前提和身分环境下市政污水处置厂利用污泥厌氧消化经济可行性和需要性的火急性是不言而喻的,包罗能量收受接管与养分物去除二者之间的均衡和本钱-效益阐发。
建议办法
鉴在污水管网修复耗时久长和当前普遍具有市政污水处置厂的状况，需要找出具有本钱效益的办法息争决方案并加以实行，和制订整合了各个方面身分的污水处置厂设想与运转指南, 以提高污水处置厂的运转绩效。下面将谈和除砂池的改良,污泥发酵,污泥厌氧消化和热电收受接管的利用。斟酌到浩繁效益和无限本钱，所有污水处置厂, 不管范围多年夜，提高砂粒去除效力都是值得去做的，而污泥发酵，污泥厌氧消化和热电联产的利用可能合适处置能力相对较年夜、且具有较高的进水COD浓度的污水处置厂。
加强除砂池除砂效力。从上面会商能够较着看出，夹杂液低挥发性固体分数和高污泥产量归因在：
i. 良多环境下除砂装配的设想具有手艺缺点，如逗留时候不足(低估)和运营中缺少需要保护。
ii. 在中国的很多处所，污水中的ISS浓度很高，且含相当部门直径远小在200微米的微细无机固体(这部门微细无机固体难以被常规除砂单位去除)。
建议性办法包罗:
研究现有除砂单位的机能，包罗ISS固体负荷和去除效力，并按期加以保护。别的，进级或革新现有的常规除砂装备，例如增添水力逗留时候以提高效力。一些例子注解, 经简单进级后, 一些常规的除砂装配机能晋升后可能将生物池夹杂液挥发性固体MLVSS/MLSS提高到55%至60%。总之，现场查询拜访当真评估除砂举措措施对小在200微米颗粒物的去除效力很是需要的。斟酌中国污水中普遍具有的高浓度的藐小无机固体(ISS)，和ISS对很多污水处置厂运转机能发生的的负面影响，国内亟需展开对进水除砂特别是ISS高效去除手艺方面的研究或装备开辟。
基在上述阐发，对改良中国污水处置厂除砂工艺运转机能供给以下的建议：
i. 对城市污水处置厂污水中和夹杂液中的挥发性固体成分进行普遍查询拜访;丈量和估算分歧类型除砂工艺的除砂机能，特别是粒径低在200微米砂砾去除效力;
ii. 经由过程提高除砂装配的效力来削减进程中的ISS堆集：经由过程提高除砂效力可以使夹杂液中的挥发性固体成份增添约10%，无望将小型污水处置厂的夹杂液中的挥发性固体成份提高到55%-60%，中年夜型污水处置厂(≥50,000 m³/d)提高到60 %- 65%，
污泥发酵。最年夜限度地操纵污水所含有的COD应当是处理生物脱氮除磷工艺中的碳欠缺的重要路子。在充实操纵易生物降解的可溶性COD方面, 能够参考苏黎世污水处置厂。在充实操纵可生物降解的固体COD方面,初沉污泥发酵是一种被普遍利用的手艺。图2显示了中国某地出产范围污水厂初沉污泥发酵数据,从进料到出料，平均增添40 mg-VFA/L挥发性脂肪酸(VFA)。同时，操纵回流活性污泥(和在线夹杂液)发酵手艺改良脱氮除磷结果已在丹麦、瑞典和美国和欧洲等国度获得普遍利用。中国已有初沉污泥和活性污泥发酵的项目实例, 但缺少持久成功运营陈述, 是以, 影响了污泥发酵手艺的普遍利用，这多是因为国内对这些污泥发酵项目后期长周期跟踪性研究不敷而至。
低碳要求的养分物去除工艺。能够斟酌采取像BCFS(生物化学除磷和除氮)，SANI (分析硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)和MABR(膜曝气生物反映器)等可在低碳环境下去除养分物的工艺。BCFS和MABR已被行业范围化利用，SANI处在中试范围,依然有待项目标准的利用验证。另外，西安四污呈现的支流厌氧氨氧化现象也值得进一步存眷和研究。
将来
增添能量收受接管。对那些具有恰当处置能力和较高的进水COD的浓度(例如 > 300 mg / L)的污水处置厂，污泥夹杂液挥发性固体组份(MLVSS/MLSS比)是利用污泥厌氧消化的要害。按照计较，假如将夹杂液MLVSS/MLSS由55%提高到65%，挥发份只是提高10%，便可以增添20%沼气产率。污泥挥发份的晋升也有用提高了生物池的污泥活性，提高了池容操纵效力，同时，显著削减了金属材料磨损和管道梗塞，年夜年夜消弭了手艺上利用污泥厌氧消化的妨碍。经由过程热电联产从污泥厌氧消化收受接管的电可节流运营污水处置厂电力的年夜约30%。上海白龙港污水处置厂(产能2,000,000 m³ / d )，进水COD浓度为250 mg/L，苏黎世污水处置厂初沉池出水COD浓度约为250 mg / L，两个厂都利用污泥厌氧消化用在能量收受接管。对中国处置能力跨越100,000 m³ /d的污水厂，即使只要一半的利用了污泥厌氧消化进行能量收受接管，其对污水处置厂运转效益和情况可延续也有很年夜的提高。对范围较小的污水处置厂，能够斟酌脱水污泥归并送到年夜型污泥工场或区域污泥处置中间进行能量收受接管。
削减碳收入。方针是经由过程污泥发酵取得净25 mg-COD/ L。这相当在终究出水硝酸氮浓度下降了约5 mg-N/L，有助在实此刻几近没有或添加少许碳环境下实现出水总氮浓度少在10 mg-N / L。
削减污泥量。经由过程促进进水砂粒去除, 提高10%进水VSS / TSS分数，可将污泥产量削减约20%。
连系污泥厌氧消化去除年夜约40%VSS(Grady等，1999)污泥量削减可达约50%。
这意味着假如在约一半的污水处置厂实现了ISS削减并利用污泥厌氧消化，则全国规模内污泥发生量可能削减约25%。连同能量收受接管增添的和采办化学品本钱削减，落实削减ISS并利用污泥厌氧消化将在很年夜水平改良污水处置厂的可延续性。
增强成果导向的利用研究。要鼎力增强针对降服或处理中国污水水质特征构成的手艺瓶颈进而实现高效污水处置方针的可延续性研究与手艺开辟，从最先就需要制订具体的可行性研究打算，针对污水特征，特别是进水ISS，和硝酸盐还原速度等研究与现实测试，将有助在从手艺肯定是不是需要初沉池。经由过程生化挥发物脂肪酸潜力(BVFAP)等目标测试可用在评估初沉污泥和活性污泥发酵的可行性。今朝看来，此刻针对现实水质特点前提下的污水厂设想，针对处理怪异中国污水水质相干的市政污水处置实际问题的研究依然相对亏弱。比来几年中国在水科学研究方面获得了超卓的前进，此刻也恰是时辰，可进一步增强在可延续市政污/废水处置利用范畴的研究。
竣事语
自90年月以来，中国在城市卫生项目方面获得了光鲜明显前进。可是，市政污水处置依然面对着低效力的能量收受接管，养分物去除高本钱和高污泥量问题. 这些困难源在怪异的污水水质特征: 高ISS，低COD和C / N比。这项研究揭露了污水水质特征和市政污水处置厂的低效力之间的因果关系。进一步提出建议，要按照本地的现实水质特征，进行污水处置厂的设想和运转。鉴在管网完美需要必然周期, 污水处置厂的可延续性改良能够与管网提质增效、管网修复等工作并行。供给具有本钱效益的办法息争决方案的建议，即高效除砂、污泥发酵和利用低碳生物脱氮除磷工艺，并估算了实行可能带来的收益。强调了将来增强以成果导向的市政污水处置利用研究的需要性。
称谢
杨向平(中国城镇供水与排水协会)，张悦(中国水工业协会)，郑兴灿(中国市政项目华北设设想研究总院无限公司)，甘一苹(中国城镇供水和排水协会)，王洪臣(中国人平易近年夜学),王佳伟(北京排水团体)，胡维杰(上海市政项目设想研究总院(团体)无限公司)，吴远远 (北京初创)，杨岸明(北京排水团体)，李金河(天津创业环保)，丁永伟(姑苏水务团体公司)，李 激(江南年夜学), 王 燕(江南年夜学)和吕 贞(常州市排水治理处)等供给了有效的消息和不雅点.